2.4 «Большое» дыхание дыхательной арматуры

«Большим» дыханием называется вытеснение паров наружу или подсоса воздуха внутрь аппаратов при изменении уровня жидкости в них.

Определение массы горючих паров, выходящих наружу при “большом дыхании” аппаратов.

Пример: Какая масса паров может выйти наружу при одном “большом дыхании” резервуара с пентаном? Объем резервуара составляет 300 м³. Температура воздуха t = 20 ⁰С, атмосферное давление составляет 790 мм рт. ст.

Решение:

Для определения количества паров, выбрасываемых в атмосферу при одном “большом дыхании” резервуара (при заполнении), необходимо (в соответствии с условием задачи):

1. Рассчитать давление насыщенных паров пентана по уравнению Антуана:

Из Приложения 2 определяют значения констант уравнения Антуана для пентана: А = 5,97208, В = 1062,555, С_А = 231,805.

При температуре t = 20 ⁰С давление насыщенных паров пентана будет составлять:

кПа

2. Рассчитать объемную концентрацию паров пентана внутри резервуара.

Для определения величины атмосферного давления (в кПа) используется переводной коэффициент:

кПа

Концентрация насыщенных паров внутри резервуара с пентаном будет составлять:

Это означает, что в газовом пространстве резервуара 53,8 % занимают пары пентана, а остальные 46,2 % занимает воздух.

3. Определить объем паров пентана, которые будут вытеснены из резервуара при его заполнении:

м3

4. Рассчитать молярный объем паров пентана в резервуаре при t = 20 ⁰С и Р = 790 мм рт. ст.:

м3/кмоль.

5. Масса паров пентана, выбрасываемых в атмосферу при одном “большом дыхании” резервуара будет составлять:

кг

где: М – молярная масса пентана, кг/кмоль.

Заключение: При отсутствии технических средств защиты потери пентана за одно “большое дыхание” резервуара составят 503 кг.

• 3. Определение категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности

Согласно СП 12.13.130.2009 [2] все помещение производственного и складского назначения класса Ф5 по взрывопожарной и пожарной опасности подразделяются на:

• помещения повышенной взрывопожароопасности, относящиеся к категории А;

• взрывопожароопасные помещения, относящиеся к категории Б;

• пожароопасные помещения, относящиеся к категориям В1, В2, В3 и В4;

• помещения, относящиеся к категориям Г и Д.

При разделении помещений по взрывопожарной и пожарной опасности учитывается:

1. агрегатное состояние обращающихся веществ и материалов;

2. взрывопожароопасные свойства горючих веществ и материалов (температура вспышки жидкостей; возможность веществ взрываться или гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом);

3. величина избыточного давления взрыва ΔР в помещении (кПа);

4. величина удельной пожарной нагрузки g на технологических участках (МДж/м²);

5. особенность технологии (сжигания веществ, плавление и т. п.)

Исходя из выше указанных, категорий помещений по взрывопожарной и пожарной опасности следует принимать в соответствии с таблицей 7. При этом в соответствии с п. 5.2. СП 12.13.130.2009 последовательно проверяется принадлежность помещений к указанным категориям, считая от высшей (А) до низшей (Д).

Таблица 7- Категории помещений по взрывопожарной и пожарной опасности.

Категория помещения	Характеристика веществ и материалов, находящихся (обращающихся) в помещении
А повышенная взрывопожаро- опасность	Горючие газы, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки не более 28 °С в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа, и (или) вещества и материалы, способные взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, в таком количестве, что расчетное избыточное давление взрыва в помещении превышает 5 кПа
Б взрывопожаро- опасность	Горючие пыли или волокна, легковоспламеняющиеся жидкости с температурой вспышки более 28 °С, горючие жидкости в таком количестве, что могут образовывать взрывоопасные пылевоздушные или паровоздушные смеси, при воспламенении которых развивается расчетное избыточное давление взрыва в помещении, превышающее 5 кПа
В1-В4 пожаро- опасность	Горючие и трудногорючие жидкости, твердые горючие и трудногорючие вещества и материалы (в том числе пыли и волокна), вещества и материалы, способные при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом только гореть, при условии, что помещения, в которых они находятся (обращаются), не относятся к категории А или Б
Г умеренная пожароопасность	Негорючие вещества и материалы в горячем, раскаленном или расплавленном состоянии, процесс обработки которых сопровождается выделением лучистого тепла, искр и пламени, и (или) горючие газы, жидкости и твердые вещества, которые сжигаются или утилизируются в качестве топлива
Д пониженная пожароопасность	Негорючие вещества и материалы в холодном состоянии
Примечания 1 Методы определения категорий помещений А и Б устанавливаются в соответствии с Приложением А СП 12.13130.2009. 2 Отнесение помещения к категории В1, В2, В3 или В4 осуществляется в зависимости от количества и способа размещения пожарной нагрузки в указанном помещении и его объемно-планировочных характеристик, а также от пожароопасных свойств веществ и материалов, составляющих пожарную нагрузку. Разделение помещений на категории В1-В4 регламентируется положениями в соответствии с Приложением Б СП 12.13130.2009.

Определение категории производственных и складских помещений по взрывопожарной и пожарной опасности необходимо проводить в следующей последовательности.

1. Обосновать выбор расчетного варианта аварийной ситуации. В соответствии с требованиями СП 12.13.130.2009 п. А.1.1 в качестве расчетного следует выбирать наиболее неблагоприятный вариант аварии или период нормальной работы аппаратов, при котором во взрыве будет участвовать наибольшее количество веществ и материалов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва.

2. Собрать необходимые данные для расчета избыточного давления взрыва ΔР, а именно:

а) определить размеры помещения и его свободный объем, свободный объем определяется как разность помещений между объемом помещения и объемом занимаемым технологическим и техническим оборудованием; если свободный объем помещения определить невозможно, то в соответствии с п. А.1.4. СП 12.13.130.2009 его допускается принимать равным 80 % геометрического объема помещения;

б) определить климатические условия в помещении (ро техническому заданию или в соответствии с максимально возможной температурой в климатической зоне согласно СНиП 23-01-99 «Строительная климатология» [3] и условия, способствующие накоплению горючих веществ (температура воздуха; кратность воздухообмена аварийной вентиляции; интенсивность пылеотложения на доступны и труднодоступных поверхностях, а так же площадь последних и т. п.);

в) определить из справочных данных или расчетом основные физико-химические показатели и показатели пожаровзрывоопасности обращающихся в техническом блоке веществ (температура воздуха, кратность воздухообмена аварийной вентиляции; интенсивность пылеотложения до доступных и труднодоступных поверхностях, а так же площадь последних и т. п.);

г) определить основные характеристики технологического блока (объем аппарата, степень заполнения или массу пыли в аппарате, рабочую температуру, производительность насоса или компрессора, длину и диаметр отводящего и подводящего трубопровода, площадь свежеокрашенных поверхностей, продолжительность одного цикла пылевыделения и т. п. )

3. Провести расчет избыточного давления взрыва. Для индивидуальных горючих веществ (газов и паров ЛВЖ и ГЖ), состоящих из атомов С, Н, О, N, Br, I, F, избыточное давление взрыва ΔР, кПа определяется по формуле :

(5)

где: : P_max - максимальное давление взрыва определяемое по справочным данным. При отсутствии данных согласно п. А2.1СП 12.13.130.2009 допускается принимать P_max равным 900 кПа P₀ - начальное давление, кПа (допускается принимать равным 101,3 кПа); m - масса горючего газа (ГГ) или паров легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ), кг; Z - коэффициент участия горючих газов и паров в горении, который может быть рассчитан на основе характера распределения газов и паров в объеме помещения согласно приложению Д. Допускается принимать значение Z по таблице 8 или таблице А.1 СП 12.13.130.2009;

V_св - свободный объем помещения, м³; ρ _г.п.- плотность газа или пара при расчетной температуре t_p, кг·м³, вычисляемая по формуле:

(6)

где: : M - молярная масса, м³/кмоль; V₀ - мольный объем, равный 22,413 м³/кмоль; t_p - расчетная температура, °С. Равная максимально возможной температуре воздуха в помещении в соответствующей климатической зоне или максимально возможной температуре воздуха по технологическому регламету с учетом возможного повышения температуры при аварийной ситуации [3]. Если такого значения расчетной температуры t_p по каким-либо причинам определить не удается, допускается принимать ее равной 61 °С; С_ст- стехиометрическая концентрация ГГ или паров ЛВЖ и ГЖ, % (объемных), вычисляемая по формуле

(7)

где: – стехиометрический коэффициент кислорода в реакции горения;

n_С, n_H, n_O, n_X – число атомов С, Н, О и галоидов в молекуле горючего;

К_n – коэффициент учитывающий негерметичность помещения и неадиабатичность процесса горения (согласно п. А2.1 СП 12.13130.2009 допускается принимать равным 3).

Для смесей горючих веществ и пылей расчет избыточного давления взрыва ΔР, кПа производится по формуле:

(8)

где: m- масса пыли или смеси горючх веществ, вышедших в помещение в результате аварии, кг;

Q_Н — теплота сгорания горючих веществ, определяемая по справочной литературе или расчетом, Дж/кг. Для веществ неизвестного строения, н оизвестного состава (в том числе пылей и волокн), она может быть определена по формуле Д.И. Меделеева, в кДж/кг:

QН = 339,4 * C + 1257 * H – 108,9 ( O + N – S )-25,1 * ( 9* H + W )

(9)

где: C, H, O, N, S, H, W — соответственно содержание в веществе углерода, водорода, кислорода, азота, серы и влаги, % (массовых).

Для смесей газов и паров низшая теплота сгорания может быть найдена как сумма произведений теплоты горения каждого горючего компонентов на его объемную долю в смеси:

(10)

где: (Q_Н)_i -низшая теплота горения i-го компонента горючей смеси, Дж/кг

φ_i — содержание i-го компонента горючего компонента смеси, %;

n — число горючих компонентов в смеси.

Для нефтепродуктов низшая теплота сгорания, в Дж/кг, может быть рассчитана по формуле Баса:

QН = 50460 - 8,545 * ρж

(11)

где: ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;

Z — коэффициент участия горючего вещества во взрыве. Для смесей горючих газов и паров жидкостей принимают по таблице 8. Для взвешенной пыли коэффициент Z рассчитывается по формуле:

Z = 0,5 * F

(12)

Где: F — массовая доля частиц пыли размеров менее критического, с превышением которого аэвзвесь становится взрывобезопасной, становится взрывобезопасной, то есть не способной распространять пламя. При отсутствии данных допускается для пылей принимать Z = 0,5;

ρ_В — плотность воздуха до взрыва при начальной температуре, кг/м³.

С_р — теплоемкость воздуха, Дж/кг*К. Допускается принимать С_р = 1010 Дж/кг*К.

Т₀ — начальная температура воздуха, К.

Таблица 8- Значение коэффициента Z участия горючих газов и паров в горении

Вид горючего вещества	Значение Z
Водород	1,0
Горючие газы (кроме водорода)	0,5
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые до температуры вспышки и выше	0,3
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при наличии возможности образования аэрозоля	0,3
Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, нагретые ниже температуры вспышки, при отсутствии возможности образования аэрозоля	0

Расчетное избыточное давление взрыва ΔР для веществ и материалов, способных взрываться и гореть при взаимодействии с водой, кислородом воздуха или друг с другом, необходимо также определять по выше указанной формуле (4). Однако при этом следует учитывать некоторые особенности. Величина Q_Н в формуле (4) принимается равной энергии, выделяющейся при взаимодействии веществ с учетом их сгорания до конечных соединений. Коэффициент участия горючих веществ во взрыве следует принимать равным Z = 1. Если величину избыточного давления взрыва ΔР определить не представляется возможным, то допускается принимать ее превышающей 5 кПа.

Определяющее значение на величину избыточного давления взрыва в формулах (5) и (8) оказывает масса горючих газов, пылей и паров жидкостей которые могут поступить в помещение при аварийной ситуации.

В соответствии с СП 12.13130.2009 количество газов, которые могут поступить в помещение и образовывать газовоздушные смеси, необходимо определять исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного аппарата, при которой имеет место самый неблагоприятный вариант, то есть в помещение поступает наибольшее количество газов, наиболее опасных в отношении последствий взрыва;

б) все содержимое аппарата поступает в помещение;

в) одновременно происходит утечка веществ из подводящих и отводящих трубопроводов в течении времени, необходимого для их отключения.

Расчетное время отключения трубопроводов принимается равным:

• времени срабатывания системы автоматики, задействованной для отключения трубопроводов, но только в том случае, если вероятность отказа системы не превышает 0,000001 в год или обеспеченно резервирование ее элементов;

• 120 с, если вероятность отказа системы автоматики превышает 1 * 10^-6 в год и не обеспеченно резервирование ее элементов;

• 300 с, в случае ручного отключения задвижек.

Под «временем срабатывания» и «временем отключения» следует понимать промежуток времени от начала поступления горючего вещества из трубопровода до полного прекращения его поступления в помещение.

Количество жидкостей, которые при поступлении в помещение могут испаряться и образовывать паровоздушные смеси, необходимо определять исходя из следующих предпосылок:

а) происходит расчетная авария одного аппарата, при которой в помещение поступает наибольшее количество ЛВЖ или ГЖ, наиболее опасных в отношении последствий взрыва;

б) все содержимое аппарата поступает в помещение;

в) одновременно происходит утечка жидкости из подводящих и отводящих трубопроводов в течении рабочего времени, необходимого для их отключения; расчетное время отключения принимается так же, как и в случае с газами.

г) происходит испарение с поверхности разлившейся жидкости; площадь испарения при отсутствии справочных данных определяется исходя из расчета, что 1 л смесей и растворов, содержащих 70 % и менее (по массе) растворителей, разливается на площади 0,5 м², а остальных жидкостей — на 1м² пола помещения; при определении площади разлива необходимо учитывать наличие приямков, бортиков и подобных устройств, препядствующх растеканию жидкости;

д) происходит испарение жидкостей из емкостей, эксплуатируемых с открытым зеркалом (то есть из аппаратов с открытой поверхностью испарения);

е) происходит испарение со свежеокрашенных поверхностей;

ж) длительность испарения жидкости принимается равной времени ее полного испарения, но не более 3600 с.

Количество пылей, которые при поступлении в помещение могут испарятся и образовывать пылевоздушные смеси, необходимо определять исхдя изследующих предпосылок:

а) расчетной аварии предшествовало пыле накопление в производственном помещении, происходящее в условиях нормального режима работы (например вследствие пылеотведения из негерметичного производственного оборудования) ;

б) в момент расчетной аварии произошла плановая (ремонтные работы) или внезапная разгерметизация одного из технологических аппаратов, за который последовал аварийный выбрас в помещение всей находящейся в аппарате пыли;

Если в производственном помещении обращаются гибридные взрывоопасные смеси, содержащие горючие газы (пары) и пыли, то расчетное избыточное давление взрыва в таком помещении необходимо определять по формуле:

ΔР = ΔР1+ ΔР2

(13)

где: ΔР1- избыточное давление взрыва для газа или пара, вычисленное по формуле (5) или (4), кПа

ΔР2 - избыточное давление взрыва вычисленное для горючей пыли по формуле (8), кПа.

После определения величины расчетного избыточного давления взрыва, которое может возникнуть в производственном или складском помещении при возникновении аварийной ситуации, приступают к следующему этапу.

4. Определение принадлежности помещения к взрывопожароопасным категориям. Принадлежность помещения к взрывопоароопасным категориям А и Б определяется по таблице 1 в зависимости от агрегатного состояния обращающихся веществ, их взрывопожароопасных свойств, избыточного давления взрыва и особенностей технологии.

5. Определение пожароопасной категории помещения. В соответствии с требованиями СП 12.13130.2009 пожароопаные помещения могут относится к категориям В1, В2,В3,В4. Определение пожароопасной категории помещения осуществляется путем сравнения максимального значения удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков с величиной удельной пожарной нагрузки, приведенной в таблице 3.

Максимальная значение удельной временной пожарной нагрузки g определяют по формуле:

(14)

где: Q — пожарная нагрузка в пределах пожароопасного участка, МДж;

S – площадь размещения пожарной нагрузки, м² (но не менее 10 м²)

Пожарная нагрузка Q в формуле (14) включает в себя различные сочетания (смесь) горючих и трудно горючих жидкостей, твердых горючих и трудно горючих веществ и материалов, находящихся в пределах пожароопасного участка. Она определяется по формуле.

(15)

где: G_i – количество i-го материала пожарной нагрузки, кг;

Q_нi — низшая теплота сгорания i-го материала пожарной нагрузки, МДж/кг.

Значение Q_нi в формуле (15) определяется из справочной литературы или по формулам (9), (10), (11). Вычислив значение максимальной удельной временной пожарной нагрузки на любом из участков по формуле (15), его сравнивают со значениями, приведенными в таблице 9, и определяют категорию помещения.

Таблица 9 - Условие определения пожароопасных категорий помещений

Категория помещения	Удельная пожарная нагрузка на участке, МДж/м2	Способ размещения
В1	Более 2200	Способ размещения пожарной нагрузки не нормируется
В2	1401-2200	Необходимо проверить условие принадлежности к более высокой категории по формуле (16)
В3	181-1400	Необходимо проверить условие принадлежности к более высокой категории по формуле (16)
В4	1-180	На любом участке пола помещения площадь каждого из участков пожарной нагрузки не более 10 м2. Между участками должны быть соблюдены предельные расстояния, определяемые по формулам (17), (18), (19). нагрузки определяется согласно Б.2

Если расчет удельной пожарной нагрузки g показал, что помещение относится категории В2 и В3, то для подтверждения принадлежности помещения к этим категориям необходимо проверить условие:

Q ≥ 0,64 * gT * H2

(16)

где: Н- минимальное расстояние от поверхности пожарной нагрузки до нижнего пояса ферм перекрытия или покрытия, м;

- g_Т принимается равным 2200 МДж/м² при 1401 ≤ g ≤ 2200;

- g_Т принимается равным 1400 МДж/м² при 181 ≤ g ≤ 1400.

В случае, если условие (16) соблюдается, то помещения следует относить к более высоким категориям, то есть к категориям В1 и В2 соответственно.

В пожароопасных помещениях категории В1, В2, В3 и В4 допускается наличие нескольких участков с различной пожарной нагрузкой, не превышающей значений, приведенных в таблице 9. Но при этом в помещениях категории В4 между этими участками должны быть соблюдены противопожарные разрывы, в пределах которых исключается (или снижается) вероятность распространения пожара от одного участка к другому. Чтобы установить требуемые противопожарные разрывы необходимо знать предельно допустимое расстояние l_пр между участками.

Для пожарной нагрузки, состоящей из твердых горючих и трудногорючих материалов предельное расстояние определяется в зависимости от величины критической плотности q_кр лучистых потоков. Чем меньше величина q_кр тем опаснее материал. Поэтому при определении предельного расстояния между участками, значение q_кр принимается по материалу с минимальным значением q_кр на одном из двух участков.

Для тех пожароопасных помещений, у которых минимальное расстояние Н от поверхности пожарной нагрузки до нижнего пояса ферм перекрытия или покрытия превышает или равно 11 м, предельное расстояние l_пр в зависимости от критической плотности q_кр лучистого потока необходимо определять по таблице 10 .

Таблица 10 - Значения предельных расстояний l_пр зависимости от критической плотности падающих лучистых потоков q_кр

qкр, кВт·м2	5	10	15	20	25	30	40	50
lпр, м	12	8	6	5	4	3,8	3,2	2,8

Если значение Н менее 11 м, то предельное расстояние между участками определяем по формуле:

l 1пр = lпр + ( 11 - Н )

(17)

В том числе, если пожарная нагрузка на участках представлена материалами для которых неизвестны величины q_кр, значение предельных расстояний необходимо l_пр = 12 м.

Для пожарной нагрузки, состоящей из ЛВЖ и ГЖ, предельное расстояние определяется по формулам:

lпр = 15 м при Н ≥ 11 м	(18)
lпр = (26 — Н) при Н < 11 м	(19)

Противопожарные разрывы между участками в пожароопасных помещениях категории В4 должны быть более предельных расстояний l_пр, определенных по таблице 4 или расчетным путем.

Если помещение не может быть отнесено ни к взрывопожароопасной, ни к пожароопасной категории, то тогда необходимо установить его принадлежность к категориям Г и Д.